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我国直流输电设备产业链结构、典型厂商及市场格局分析

发布时间:2022-11-21  来源:立鼎产业研究网  点击量: 218 

直流核心设备为电力电子化的设备,主要包括换流阀、直流变压器、直流断路器、以及配网柔直成套设备。直流工程还需要一些与交流系统不同的关键设备,如换流变压器、直流电抗器、直流穿墙套管、直流消能装置等。无论是核心设备还是关键辅助设备,其制造壁垒均很高,目前仅有少数厂家参与竞争。

直流核心电力电子化设备一览


来源:国家电网

直流关键辅助设备一览


来源:国家电网

——换流阀是实现交直流转换的核心设备

由于交流系统存量规模庞大,新增直流系统必然要与现存交流系统进行连接,换流阀将是最先受益的设备品种。

一个三相全桥的换流阀有6个桥臂,每个桥臂有若干个阀塔,每个阀塔由若干层阀模块组成,每个阀模块由若干个子模块组成。子模块是换流阀的核心单元,除此之外,阀塔的结构尺寸、绝缘、均压、屏蔽、导体回路、冷却回路和光纤通信回路等方面均需特别考虑。

换流阀塔结构


来源:公开资料

为节约制造成本,目前子模块普遍采用半桥结构,一次部分包括2IGBT模块、2个反并联二极管、直流电容、均压电阻、旁路开关、旁路晶闸管以及作为导体连接的母排,二次部分包括子模块控制板、IGBT驱动板和电源板。

根据估算,换流阀成本中,TIGBT模块约占35%,直流电容约占35%,是成本中心,其余如晶闸管、二极管、旁路开关、均压电阻、二次板卡等合计约占15%,子模块以外的其他部分约占15%

中低压配网柔直中采用的换流阀为成套屏柜布置,但其基本单元仍为子模块。

——直流变压器可打通“直”流通道

相对应换流阀实现交流与直流的连接,直流变压器则是实现不同电压等级的直流系统互相接连的核心设备。受制于器件发展水平以及直流变压器的制造能力,目前已经实用化的直流变压器仅为10kV/375V的变压器,只用于配电网。

较为典型的拓扑结构为基于双有源全桥(DAB)的变压单元。变压单元是由高压与低压侧的电力电子模块以连接高低压的高频隔离交流变压器构成。当进行大变比变压时,可将DAB变压单元的一侧并联一侧串联,从而形成ISOP结构。

10VkV为直流变压器主要元器件为IGBT/SiCMOS、二极管、电容、电感、高频隔离变压器等,随着技术进步,未来有望出现更高电压等级的直流变压器。

——直流断路器同为高度电力电子化装置

由于直流没有过零点,其开断难度比交流大许多,断路器基本原理也不同。ABB2012年才研制出世界首台直流断路器,国家电网公司于2014也攻克此项难题,并于2020年提升至世界最高的500kV电压等级并投运于张北柔直工程,彰显了我国柔直输电技术世界领先的地位。

目前的主流方案是采用混合型直流断路器,它由主支路、转移支路和吸收支路构成。主支路由许多IGBT全桥子模块串并联和若干个高速机械开关串联而成,主要作用是正常通流,并在故障时及时闭锁IGBT全桥子模块,迫使电流去转移支路,并在电流足够小时,将高速机械开关开至绝缘位置。

转移支路由许多二极管全桥子模块串联而成,主要作用是当主支路机械开关完成开断后,将本支路子模块中的IGBT闭锁,形成电容瞬时暂态过电压。

吸收支路由许多金属氧化物避雷器(MOV)构成,电容暂态过电压将触发吸收支路避雷器导通,故障电流转移至吸收支路,暂态过电压消失后,避雷器快速恢复绝缘,故障电流降低至零。

可见,混合型直流断路器的核心器件包括IGBT、高速开关、二极管、直流电容、VMOV等。

——直流设备竞争格局优良,上游潜力十足

1、直流设备参与企业极少,竞争格局优良

由于直流设备结构复杂,国际上仅有日立ABB、西门子、GE三家有系统建设能力,产能紧张,目前只有ABB还在做国内项目。常直换流阀国内仅有国电南瑞(南瑞继保、中电普瑞)、许继电气、中国西电三家参与招标,柔直换流阀除上述三家外,还有荣信汇科、特变电工参与网内市场竞争。

统计了目前已建的±300kV及以上的8个柔直工程的换流阀供货情况,其中国电南瑞、荣信汇科、许继电气合计份额占比89%,是国内柔直换流阀市场的三大龙头。

已建的±300kV及以上柔直换流阀市场份额占比


来源:国家电网、南方电网

中低压柔直领域,除了上述企业外,还有四方股份、中国能建旗下的北京电力设备总厂、和极少数民营企业,目前竞争格局也十分良好。

2、直流设备产业链较长,上游潜力十足

直流设备下游需求单位除了两网公司外,目前配网领域以低碳园区为代表的买家对直流设备需求同样旺盛。

直流设备中游即设备集成制造本身,目前全球不超过10家有高压直流的建设能力。

直流设备产业链分布


来源:公司公告

直流设备上游器件较多,其中最为核心的是IGBT和晶闸管等功率器件,以及直流电容等被动器件。目前3.3kV及以下的IGBT国产化进度喜人,广东柔直背靠背工程国产化比例已提升至50%。晶闸管目前已基本实现国产替代,主要由时代电气与派瑞股份供应。直流电容国产化比例很低,基本被国外垄断,国产替代空间较大。


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